Dom > Novice > Vsebine
Težka in ekstremna baker za maksimalno zanesljivost v izdelavi in izdelavi PCB
Jul 05, 2018

Različne naprave za elektroniko so vsak dan načrtovane za različne aplikacije. Ti projekti vse pogosteje izkoriščajo vse večji trend v industriji tiskanih vezij: težkih bakrovih in ekstremnih bakrenih PCB.

Kaj definira težka bakrena vezja? Večina komercialno dostopnih PCB-jev je izdelanih za aplikacije z nizko napetostjo / nizko porabo, z bakrenimi sledi / ravninami, ki so sestavljene iz bakrovih uteži od ½-oz / ft2 do 3-oz / ft2. Težko bakreno vezje je izdelano z utežjo bakra kjer koli med 4-oz / ft2 do 20-oz / ft2. Možne so tudi bakrene uteži nad 20-oz / ft2 in do 200-oz / ft2 in se imenujejo ekstremni baker.

Za namene te razprave se bomo osredotočili predvsem na težek baker. Povečana teža bakra v kombinaciji s primernim substratom in debelejšim premazom v skoznjih luknjah preoblikuje neko nezanesljivo, šibko vezno ploščo v trajno in zanesljivo ožičilno platformo.

Gradnja težkega bakrenega vezja daje ploščo s koristmi, kot so:

Povečana vzdržljivost toplotnih sevov

Povečana trenutna nosilnost

Povečana mehanska trdnost na priključnih mestih in v odprtinah PTH

Egzotični materiali, ki se uporabljajo za njihov polni potencial (tj. Visoka temperatura) brez okvare vezja

Zmanjšana velikost izdelka z vdelavo več uteži bakra na isti plasti vezja (slika 1)

Težka prevleka iz bakra nosi višji tok skozi ploščo in pomaga pri prenosu toplote na zunanji heatsink

Hladilne plošče na vozilu, neposredno na površino plošče, z bakrenimi ravninami do 120-oz

Vgrajeni ploski transformatorji z visoko močjo

Čeprav so manjše pomanjkljivosti, je pomembno, da razumete osnovno konstrukcijo težkega bakrenega vezja, da bi v celoti upoštevali njegove zmogljivosti in potencialne aplikacije.

Slika 1: Vzorec z 2-oz, 10-oz, 20-oz in 30-oznimi bakrenimi značilnostmi na istem sloju.

Konstrukcija tokokroga težkih bakrov

Standardni PCB-ji, bodisi obojestranski ali večplastni, so izdelani s kombinacijo procesov bakrenega jedkanja in galvanizacije. Vezne plasti se zaženejo kot tanke pločevine iz bakrene folije (običajno 0,5-oz / ft2 do 2-oz / ft2), ki se vgrajujejo za odstranitev neželenega bakra in plašč za dodajanje bakra debelini na ravnine, sledove, blazinice in prekrite luknje. Vse plasti vezja so laminirane v celoten paket z uporabo epoksidnega substrata, kot je FR-4 ali poliimid.

Plošče s težkimi bakrenimi vezji se proizvajajo povsem na enak način, čeprav s specializiranimi postopki etikiranja in platinga, kot so visokofrekvenčna / stopenjska obdelava in diferencialno jedkanje. Zgodovinsko gledano so težke lastnosti bakra nastale v celoti z jedkanjem debelega laminiranega pločevinastega bakra, kar je povzročilo neenakomerne bočne sledi in nesprejemljivo podcenjevanje. Napredek pri tehnologiji platinga je omogočil oblikovanje težkih bakrovih funkcij s kombinacijo platinga in jedkanja, kar je povzročilo ravne stranske stene in zanemarljivo spodrez.

Obloga težkega bakrenega vezja omogoča izdelovalcu plošče, da poveča količino debeline bakra v lončenih luknjah in preko bočnic. Zdaj je mogoče mešati težek baker s standardnimi funkcijami na eni plošči. Prednosti vključujejo zmanjšano štetje plasti, nizko impedančno moč distribucije, manjše sledi in morebitne prihranke stroškov.

Običajno so bila vezja visoke tokove / visoke moči in njihova krmilna vezja ločeno izdelana na ločenih ploščah. Težka obloga iz bakra omogoča integracijo visokonapetostnih tokokrogov in krmilnih tokokrogov za uresničitev zelo gosto, a preprosto ploščo strukturo.

Težke funkcije bakra so lahko brezhibno povezane s standardnimi vezji. Težko bakro in standardne funkcije je mogoče postaviti z minimalnimi omejitvami, če oblikovalec in izdelovalec razpravljajo o proizvodnih tolerancah in sposobnostih pred končno zasnovo (slika 2).

Slika 2: Funkcije 2-oz povezujejo krmilna vezja, medtem ko funkcije 20-oz vsebujejo visoke tokovne obremenitve.

Trenutna sposobnost prenašanja in povišanje temperature

Koliko toka lahko varno nosi bakrno vezje? To je vprašanje, ki ga pogosto izrazijo oblikovalci, ki želijo v svoj projekt vključiti težka bakrna vezja. Na to vprašanje se ponavadi odgovarja z drugim vprašanjem: Koliko toplote lahko dvigne vaš projekt? To vprašanje se postavlja, ker dvig toplote in trenutni tok poteka z roko v roki. Poskusimo skupaj odgovoriti na obe vprašanji.

Ko se trenutni tok vzdolž sledi, obstaja I2R (izguba moči), kar povzroči lokalizirano ogrevanje. Sled se ohladi s prevodnostjo (v sosednje materiale) in konvekcijo (v okolje). Zato, da bi našli največji tok, lahko sledljivost varno prenaša, moramo najti način za oceno povečanja toplote, povezane z uporabljenim tokom. Idealna situacija bi bila doseganje stabilne delovne temperature, pri kateri je hitrost ogrevanja enaka stopnji hlajenja. Na srečo imamo formulo IPC, ki jo lahko uporabimo za modeliranje tega dogodka.

IPC-2221A: izračun trenutne kapacitete zunanje proge [1]:

I = .048 * DT (.44) * (W * Th) (725)

Kjer je tok (amper), je DT dvig temperature (° C), W širina sledi (mil) in Th je debelina sledi (mil). Notranje sledi je treba zniżati za 50% (ocena) za enako stopnjo ogrevanja. Z uporabo formule IPC smo ustvarili sliko 3, ki prikazuje trenutno zmogljivost večje sledi različnih površin prečnega prereza s porastom temperature za 30 ° C.

Slika 3: Približni tok za določene dimenzije tira (20 ° C temp).

Kaj je sprejemljiva količina toplote se bo razlikovala od projekta do projekta. Večina dielektričnih materialov vezja lahko prenese temperaturo nad 100 ° C nad okolico, čeprav bi bila ta sprememba temperature v večini primerov nesprejemljiva.

Stabilnost in obstojnost vezij

Proizvajalci in oblikovalci vezij lahko izbirajo med različnimi dielektričnimi materiali, od standardne FR-4 (delovna temperatura 130 ° C) do visokotemperaturnih poliamidov (delovna temperatura 250 ° C). V okolju z visokim temperaturam ali v ekstremnih okoliščinah se lahko zahteva eksotični material, vendar če so sledovi vezja in prevlečene vias standardni 1-oz / ft2, bodo preživeli ekstremne razmere? Industrija vezja je razvila preskusno metodo za določanje toplotne celovitosti izdelka končnega vezja. Toplotni sevi prihajajo iz različnih postopkov izdelave, montaže in popravila pločevine, kjer razlike med koeficientom toplotne razteznosti (CTE) Cu in PWB laminata zagotavljajo gonilno silo za nukleacijo razpoke in rast do okvare vezja. Preskušanje termičnega cikla (TCT) za povečanje odpornosti vezja, ko je toplotno kolesarjenje zrak-zrak od 25 ° C do 260 ° C.

Povečanje odpornosti pomeni razčlenitev električne integritete prek razpok v bakrenem vezju. Standardna zasnova kuponov za ta preizkus uporablja verigo 32 pletenih skoznjih lukenj, ki se že dolgo obravnavajo kot najšibkejša točka v vezju, kadar so podvržena toplotnemu stresu.

Študije termičnega cikla, opravljene na standardnih ploščah FR-4 z 0,8 milimetrom do 1,2 milimi bakrnimi ploščami, so pokazale, da 32% tokokrogov ne uspe po osmih ciklih (20-odstotno povečanje odpornosti se šteje za napako). Študije o termičnem ciklu, opravljene na eksotičnih materialih, kažejo znatne izboljšave te stopnje napak (3% po osmih ciklusih za cianatni ester), vendar so preveč drage (pet do desetkrat večje materialne stroške) in jih je težko obdelati. Povprečna površinska montaža tehnološkega sklopa pred pošiljanjem kaže najmanj štiri termična cikla in za vsako popravilo komponent lahko vidite dodatna dva termična cikla.

Nerazumno je, da je plošča SMOBC, ki je šla skozi cikel popravil in zamenjave, dosegla skupaj devet ali deset termičnih ciklov. Rezultati TCT jasno kažejo, da lahko stopnja napak, ne glede na to, kaj material plošče, postane nesprejemljiv. Proizvajalci tiskanih vezij vedo, da galvansko brušenje ni natančna znanstvena sprememba tokovnih gostot na krovu in s številnimi luknjami / velikostmi povzroči spremembe debeline bakra do 25% ali več. Večina področij "tankega bakra" je na stenah z luknjimi luknjami - rezultati TCT jasno kažejo, da je to tako.

Uporaba težkih bakrenih vezij bi v celoti zmanjšala ali odpravila te napake. Obloga 2-oz / ft2 bakra na steno luknje zmanjša stopnjo okvare na skoraj nič (rezultati TCT kažejo stopnjo okvare 0,57% po osmih ciklusih za standardni FR-4 z najmanj 2,5-milimetrskim bakrom). V bistvu bakren krogotok postane neprepusten za mehanske obremenitve, ki jih je postavil toplotni cikel.

Toplotno upravljanje

Ker oblikovalci si prizadevajo doseči čim večjo vrednost in uspešnost pri svojih projektih, tiskana vezja postajajo bolj zapletena in so usmerjena v večje gostote moči. Miniaturizacija, uporaba močnostnih komponent, ekstremnih okoljskih pogojev in zahtev za visoke tokove povečujejo pomen toplotnega upravljanja. Večje izgube v obliki toplote, ki se pogosto ustvarjajo pri delovanju elektronike, je treba odtisniti iz svojega vira in oddajati v okolje; sicer se lahko komponente pregrejejo in lahko pride do napak. Vendar pa težka bakrna vezja lahko pomagajo z zmanjšanjem izgub I2R in z odvajanjem toplote iz dragocenih komponent, kar dramatično zmanjša stopnje napak.

Da bi dosegli pravilno odvajanje toplote iz virov toplote v in na površini vezja, so uporabljeni hladilniki. Namen kateregakoli hladilnika je odvajanje toplote od vira proizvodnje s pomočjo prevodnosti in oddajanje toplote s konvekcijo v okolje. Vir toplote na eni strani plošče (ali notranji toplotni viri) je povezan z bakrenimi viasi (včasih imenovani "toplotni viasi") na veliko golo bakreno področje na drugi strani plošče.

Na splošno so klasične hladilne plošče vezane na to golo bakreno površino s pomočjo toplotno prevodnega lepila ali v nekaterih primerih zakovičene ali zatesnjene. Večina heatsink je izdelanih iz bakra ali aluminija. Postopek sestavljanja, potreben za klasične hladilnike, obsega tri delovno intenzivne in drage korake.

Za začetek je treba kovino, ki služi kot hladilnik, udariti ali razrezati na želeno obliko. Lepilni sloj mora biti tudi rezan ali žigosan, da se natančno prilega med vezje in hladilnik. Nenazadnje mora biti hladilnik pravilno nameščen na PCB, celoten paket pa mora biti zaščiten z električnim in / ali korozijsko odpornostjo z ustreznim lakom ali prekrivnim slojem.

Običajno zgornjega procesa ni mogoče avtomatizirati in ga je treba izvesti ročno. Čas in delo, potrebno za dokončanje tega procesa sta pomembna in rezultati so slabši od mehansko avtomatiziranega procesa. V nasprotju s tem so vgrajeni hladilni kabli ustvarjeni v procesu izdelave PCB in ne potrebujejo dodatne montaže. Težka tehnologija bakrenih vezij omogoča to. Ta tehnologija omogoča dodajanje debelih bakrenih hladilnikov skoraj povsod na zunanjih površinah plošče. Hladilne plošče so elektroplagirane na površini in so zato povezane z vijaki za toplotno prevodnost brez vmesnikov, ki ovirajo toplotno prevodnost.

Druga prednost je dodana bakrena prevleka v toplotnih viasih, kar zmanjšuje toplotno odpornost zasnove plošče, pri čemer se zaveda, da lahko pričakujejo enako stopnjo natančnosti in ponovljivosti, ki je povezana s proizvodnjo PCB. Ker so ravne navitje dejansko ravne prevodne sledi, oblikovane na bakrenih prevlečenih laminatih, izboljšajo celotno gostoto toka v primerjavi z valjastimi žičnimi vodniki. Ta korist je posledica čim manjšega učinka kože in večje učinkovitosti pri prenosu toka.

Na ploščah na vozilu je dosežena odlična primarna sekundarna in sekundarna sekundarna dielektrična izolacija, saj se med vsemi sloji uporablja isti dielektrični material, ki zagotavlja popolno zaprtje vseh navitij. Poleg tega se primarne navitja lahko razlijejo tako, da so sekundarne navitja poskočene med primarnimi in dosegajo nizko uhajanje induktivnosti. Standardne tehnike laminiranja s PCB, ki uporabljajo različne epoksi smole, lahko varno pospravijo do 50 slojev bakrenih navojev, debelih 10-oz / ft2.

Med izdelavo težkih bakrenih vezij se običajno ukvarjamo z velikimi debelinami pločevine; Zato je treba pri določanju ločevanja sledi in velikosti ploščic upoštevati tudi pravice. Zaradi tega se oblikovalci svetujejo, da imajo izdelovalec krovu na krovu zgodaj v procesu načrtovanja.

Izdelki močnostne elektronike, ki uporabljajo težko bakreno vezje, že več let uporabljajo v vojaški in vesoljski industriji in dobivajo zagon kot tehnologijo izbire v industrijskih aplikacijah. Menijo, da bodo tržne zahteve razširile uporabo te vrste izdelka v bližnji prihodnosti.

Reference:

1. IPC-2221A